盾構隧道長距離硬巖地層鉆爆法開挖管片襯砌施工技術論文
摘要:盾構法適宜在較均一的軟土、軟巖地層或砂層及其互層的地層中掘進,但在軟硬不均、軟硬交互且巖石強度差異大的地層中應用盾構法修建城市地鐵隧道就復雜得多。以廣州地鐵三號線盾構區間工程為實例,介紹盾構法隧道長距離硬巖地層段采用鉆爆法開挖管片襯砌施工技術。
關鍵詞:盾構隧道;硬巖地層;鉆爆法隧道;噴射米石
1前言
隨著城市化進程的加快,盾構法施工技術以其安全、快速、對環境影響小等優點得到越來越廣泛的應用。目前已應用于上海、北京、廣州、深圳、南京、天津等地鐵工程。全世界大約采用了3000多臺盾構機,國外發達國家盾構技術較為先進,尤以日本最為突出。
廣州地鐵三號線某標段盾構區間隧道施工中,對于短距離硬巖及軟硬交互的復合地層,通過刀具選型和布置、螺旋輸送機改造、輔助系統性能改造,使盾構機適應了該地層。通過補充地質勘察、刀具管理、掘進參數選擇、掘進方向控制,成功通過該地層;對于長距離硬巖地層,首次采用了鉆爆法開挖、管片襯砌工法,初期支護與管片背后的空隙用米石和注漿結合的新工藝進行回填,成功通過了該硬巖段。
2方案選定
2.1工程概況
工程位于廣州市番禺區北7km處,距廣州市約15km,由一個明挖區段、三個盾構區段和一個鉆爆法暗挖區段構成,全長為4008雙線延米。隧道穿越的左、右線地層所占的長度見表1。
隧道右線YDK16+708.5～+937(228.5m)、左線ZDK16+730～+929(199m)段地層主要為8Z-2、9Z-2,圍巖分類為Ⅰ、Ⅱ級,屬上元古界震旦系花崗巖片麻巖的混合體,單軸抗壓強度118MPa,鉆孔發現有抗壓強度達156.5MPa的硅化角礫巖,且軟硬巖層互為夾層現象普遍,巖層均一性差,對盾構法施工很不利。
2.2方案選擇
長距離硬巖地層的施工,應認真評價盾構機的設備適應性,辨識、評價、分析施工風險,考慮鉆爆法施工方案的可行性,并進行進度、技術經濟比較,選擇經濟、合理、可行的施工方案。
① 補充地質勘察,彌補初步勘察及詳細勘察階段因受地形地貌及其他條件限制導致鉆孔遠離線路或間距過大的不足,使鉆孔間距達到50m以內的要求。并認真對待特殊地段,保證地質資料的準確,作為盾構機對地質適應性的評價依據。
② 吸取廣州地鐵二號線的施工經驗,盾構機對廣州地區軟土及巖石單軸抗壓強度低于80MPa的硬巖地層施工是完全適應的,但用軟巖盾構機進行強度如此高的長距離硬巖地層施工,在國內地鐵施工中沒有先例,也未有外國的成功經驗資料。
③ 盾構機在局部硬巖地層中掘進易造成刀具意外破壞和非正常磨損,不僅增加直接成本,且由于掘進速度慢,其他輔助工作費用也增大,將造成施工成本增加。
④ 硬巖中掘進時,盾構機震動劇烈,對設備造成某種程度的損壞,影響盾構機使用壽命。
⑤ 經研討,對該段長距離硬巖地層,采用鉆爆法開挖、盾構機拼裝管片通過的施工方法可行,并通過科研,指導施工。
⑥ 盾構機拼裝管片通過已開挖硬巖段的速度比盾構法在一般較硬巖層地段的掘進速度快,經比較,每延米至少節省5h,能夠提前工期,節約工程費用。
2.3總體方案
對該段長距離硬巖地層,將鉆爆法與盾構法相結合,在盾構機到達前,通過盾構區間的中間風井,采用鉆爆法開挖,盾構隧道與該段硬巖隧道貫通后,盾構機在已施工的混凝土導向平臺上空載通過并拼裝管片,初期支護與管片背后的空隙用米石和注漿回填密實。
3 主要施工技術
3.1施工工藝流程
劃分不同工法施工區段→鉆爆法隧道參數選擇→隧道硬巖段鉆爆法施工→盾構機到達→導向平臺順接→盾構機推進至導向平臺→拼裝管片、吹填豆礫石→盾構機空載推進、同步注漿→補充注漿。
3.2選擇鉆爆隧道參數
(1)盾構通過段
盾構通過段的隧道設計凈空為6400mm的圓形斷面,比盾構機外徑大120mm。該段采用光面爆破技術開挖、錨噴網聯合支護,具體支護參數根據圍巖條件和監控量測結果進行調整。
(2)盾構接收段
隧道貫通后3m為盾構接收段,斷面形式同樣采用圓型斷面,凈空為6800mm,以滿足盾構機掘進貫通時的測量誤差要求。為便于盾構機到達后對盾構機進行底部處理,底部70°范圍內半徑加大到3700mm。
(3)導向平臺
為保證盾構機按設計姿態通過,隧道底部60°范圍設置半徑為3150mm、厚150mm的弧形混凝土導向平臺。
3.3隧道硬巖段鉆爆法施工
開挖斷面以軌面為界,分上下兩部分開挖。導向平臺分段澆注,長度為20m。
采用光面爆破技術,直眼掏槽,周邊眼采用間隔裝藥,周邊眼間距50cm,最小抵抗線50～80cm,線裝藥密度400g/m,每次循環進尺2.2m。
3.4到達段隧道盾構法掘進施工
盾構隧道與鉆爆隧道貫通前25m為盾構到達段。盾構隧道到達段采用土壓平衡模式掘進。進入到達段時,逐步減小推力、降低推進速度,并嚴格控制出土量。因貫通面處圍巖條件較好,隧道貫通前3環采用敞開模式掘進,采用小推力、低轉速進入盾構接收段。掘進參數見表2。
盾構進入到達段前150m,對盾構施工段和鉆爆段的所有測量控制點進行系統的控制測量復測和聯測,對所有控制點的座標進行精密、準確的平差計算。貫通前100m、50m時分別人工復測盾構機姿態,及時糾正偏差,確保盾構機順利進入接收段。
盾構機在到達段掘進過程中,派專人負責觀察鉆爆段貫通面巖面變化和初期支護情況。發現圍巖或初期支護有異常時,立即通知盾構主司機調整掘進參數,必要時采取加固措施。
隧道貫通時的碴土由人工清理,從豎井運出洞外。碴土清理完成后,用C30早強混凝土將盾構前體下部至鉆爆隧道段已施工的導向平臺進行順接,確保盾構機順利過渡到導向平臺。
3.5盾構機空載推進
依據刀盤與導向平臺間的關系,調整各組油缸的行程,使盾構姿態沿設計方向推進。開始段推進速度控制在15～40mm/min,熟練后控制在60～85mm/min,總推力約300t,下部油缸壓力略大于上部油缸。
曲線段,計算出盾構機每進一環的偏轉角與鉸接油缸行程差和推進油缸行程差。盾構推進前復核鉆爆隧道與盾構機軸線誤差,并調整鉸接油缸、推進油缸,保證盾殼與鉆爆隧道間的間隙,確保盾構按隧道軸線推進。
3.6安裝管片及變形控制
3.6.1管片選型與安裝
管片選型應滿足隧道線形,安裝后盾尾間隙要滿足下一掘進循環限值,確保有足夠的盾尾間隙,防止盾尾直接接觸管片造成管片破損。選型時要根據盾尾間隙與油缸行程差,結合盾構姿態選擇合適的管片。
管片安裝從隧道底部開始,先安裝標準塊,依次安裝相鄰塊,最后安裝封頂塊。封頂塊安裝前,對止水條進行潤滑處理,安裝時先徑向插入約6/7管片寬度,調整位置后緩慢縱向頂推。管片塊安裝到位后,及時伸出相應位置的推進油缸頂緊管片,推進油缸的壓力設定為50bar,然后方可移開管片安裝機。
3.6.2管片防水措施
盾構機步進時,盾殼與導向平臺間的摩擦力約100t,管片與盾尾尾刷間的摩擦力為20t,拖拉盾構機后配套的拉力為75t,總反力為195t。施工時盾構機油缸推力均在300t以上,且管片防水使用的是遇水膨脹橡膠止水條,盾構機推力滿足管片防水的要求,沒有出現因止水條擠壓不緊而造成管片漏水現象。
為保證管片的防水效果,采取以下措施:
①隧道貫通前安裝管片時,每環管片用φ22鋼筋與上一環管片相連,防止因貫通時刀盤前方突然失去反力引起已安裝的管片松動;
②在盾構機步進前方,利用導向平臺上的預埋鋼板焊接牛腿,安設兩個80t的千斤頂提供反力,也可直接在刀盤前方堆碴提供盾構機步進所需的反力;
③安裝管片時,在該環管片的螺栓緊固完畢后,對上環管片的螺栓進行二次緊固。
3.6.3防止管片錯臺的措施
盾構機在掘進過程中,由于刀盤的支撐,在盾構機前體與管片之間形成一個類似于簡支梁的結構,當盾構機推力不足時,在自重作用下,盾構機主機后部懸空部分會下沉,從而導致管片產生錯臺。但當盾構機在導向平臺上向前推進時,盾構機的前體、中體以及盾尾的盾殼與導臺是緊密接觸的`,只要注意管片選型與姿態調整,并嚴格控制注漿壓力,就不會產生大的錯臺。為防止錯臺,采取了以下措施:
①每3～5環對管片姿態進行人工測量,根據測量結果結合盾尾間隙進行管片的選型;
②加強米石及注漿回填效果的檢查,確保管片與鉆爆隧道間充填密實;
③在安裝好的管片上增加縱向連接拉桿。
3.7背襯回填技術
由噴射米石、同步注漿、補充注漿等三部分組成。向盾殼外噴射米石,在管片脫離盾尾時對管片進行支撐,防止管片下沉產生錯臺,并增加盾構向前推進的摩擦力。盾構機步進時,管片背后同步注漿,使管片與地層緊密接觸,提高支護效果。檢查注漿后的效果,必要時補充注漿。
3.7.1噴射米石
采用5～10mm連續級配的花崗巖米石作為回填料。管片拼裝時進行噴射米石回填。噴射米石分兩次:第一次,每隔4.5～6m在盾構機的切口四周不小于60～300°的范圍用袋裝砂石料圍成一個圍堰,防止管片背后的米石、砂漿前竄,利用混凝土噴射機從刀盤前方向盾構后方吹米石,噴射壓力0.25～0.3MPa。當盾殼頂部與砂袋圍堰頂部形成自然坡度時,停止噴射;第二次,管片脫出盾尾后,從管片注漿孔向管片背后吹米石,進一步填充管片與鉆爆隧道的空隙。
3.7.2同步注漿
同步注漿采用水泥砂漿,初凝8h,終凝10.5h。施工時根據漿液的流動情況,適當調整漿液膠凝時間。同步注漿在每環管片米石回填后進行,與盾構機步進同步,采用手動控制,根據情況隨時調整注漿流量、速度、壓力。為保證填充效果,同時防止砂漿前竄至刀盤前方,注漿壓力為0.05～0.08MPa。同步注漿時盾殼外圍是敞開的,壓力變化不大,不以壓力作為注漿結束的控制標準。當注漿量達到理論注漿量的80%以上時,即可結束注漿。在管片安裝10環后,間隔4環管片在管片注漿孔處開口檢查注漿效果。根據檢查效果,決定是否進行補充注漿。
3.7.3補充注漿
(1)第一次。目的是填充管片背后尤其是頂部的空洞。盾構機步進過程中,每前進4環通過管片注漿孔檢查同步注漿效果。管片背后如果存在空洞,從管片上部30°或330°位置的注漿孔進行注漿。注漿時,避開封頂塊位置。漿液采用水泥單液漿。漿液配比為:水泥：水=1 ：0.8。注漿壓力為0.3～0.4MPa。注漿結束標準采用注漿壓力單指標控制。
(2)第二次。盾構機通過鉆爆隧道后,根據滲漏水情況,采用雙液注漿泵注漿堵水。漿液采用水泥-水玻璃雙液漿。漿液配比為水泥:水玻璃為1：1,注漿壓力為0.2～0.3MPa,注漿速度不大于10L/min。注漿結束標準采用注漿壓力單指標控制。
3.8盾構機姿態控制
(1)確保導臺精度
導臺是盾構機通過鉆爆隧道時的下部支撐,導臺的精度直接決定著盾構機的姿態。搞好施工測量和驗收,確保導臺精度0～15mm。
(2)調整好隧道貫通時盾構機的姿態
盾構機從盾構隧道進入鉆爆隧道時,確保盾構出洞時的旋轉值Roll小于±3mm/m。盾構機在導臺上步進時,調整盾構機的旋轉值Roll小于±5mm/m。
(3)做好管片的選型及安裝
考慮盾構機姿態、盾尾間隙、油缸行程及盾構機步進情況等因素,合理選擇管片安裝類型,使盾構機的姿態偏差在±20mm以內,上下左右盾尾間隙均在70mm左右,最大油缸行程差在25mm以內,確保管片受到的油缸推力較平均。在管片脫出盾尾時,盾尾內殼不擠壓管片外壁,有效防止管片產生錯臺、裂縫。
(4)及時人工復測管片姿態
盾構機配備的SLS-T導向系統能全天候地動態顯示盾構機當前位置相對于隧道設計軸線的位置偏差,主司機根據顯示的偏差及時調整盾構機的姿態。為保證導向系統的準確性,確保盾構機掘進方向,每周兩次由人工對SLS-T導向系統的數據進行測量校核。管片安裝完成后,每3～5環人工進行一次管片姿態的復測。
4 工程效果
①施工速度快、工效明顯。盾構機拼裝管片通過鉆爆隧道達到平均每天11m的施工進度。
②經實測,管片高程和平面偏差均小于30mm,符合《地下鐵道工程施工及驗收規范》中允許偏差要求(±50mm),管片表面無破損,相鄰管片無明顯的錯臺,無滲漏水現象。
③采用該技術成功通過了硬巖地層,確保了施工的順利進行,減少了刀具在硬巖地層掘進的損耗及破壞,延長了盾構機的使用壽命。
5結束語
①鉆爆法與盾構法的結合,拓展了盾構機的適應性,避免了因長距離硬巖地層對盾構法應用的限制,使盾構機施工的城市地鐵、鐵路、公路、水工隧道等地下工程能得到進一步發展。
②采用鉆爆法開挖、管片襯砌施工工法,有效地避免了盾構機在長距離硬巖地層中掘進的施工風險,極大地方便了城市與交通等方面的建設規劃,并能保證工程和周圍環境的安全。
參考文獻:
[1]GB50299-1999,地下鐵道工程施工及驗收規范[S].北京:中國計劃出版社,北京,1999.
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